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Ozon in der Atmosphäre

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Chemie-Team
Ozon in der Atmosphäre
lernst du in der 7. Klasse - 8. Klasse

Grundlagen zum Thema Ozon in der Atmosphäre

Inhalt

Ozon in der Atmosphäre – Chemie

Sicher hast du in den Nachrichten bereits vom Ozonloch gehört. Aber was ist ein Ozonloch und welche Auswirkungen hat ein Loch in der Ozonschicht?

In diesem Lerntext erfährst du einfach erklärt, was Ozon ist und was man unter der Ozonschicht versteht. Du lernst, wozu Ozon gut ist, wie sich Ozon auf den Menschen auswirken kann und warum zu wenig Ozon auch gefährlich sein kann.

Was ist Ozon? – Definition

Einfach erklärt ist Ozon $(\ce{O3})$ ein gasförmiger Stoff, der aus drei Sauerstoffatomen aufgebaut ist. In höherer Konzentration ist Ozon in der Luft, genauer gesagt, in der Atmosphäre der Erde zu finden. Das Ozon bzw. die Ozonschicht befindet sich in der unteren Stratosphäre, also dem Bereich, der sich in einer Höhe von 20 bis 30 Kilometern über dem Erdboden befindet, dort bildet es die sogenannte Ozonschicht. Diese schützt die Erde vor der energiereichen Sonnenstrahlung.

Übrigens: Ozon findet auch Verwendung in der Industrie. Ozonwasser wird in der Wasseraufbereitung zur Oxidation von Eisen, Mangan, organischen Substanzen oder zur Entkeimung verwendet.

Die Entstehung von Ozon

Und wie entsteht Ozon? Du kennst das Sauerstoffmolekül, das aus zwei Sauerstoffatomen besteht. Wenn dieses Sauerstoffmolekül durch die sehr energiereiche UV-Strahlung der Sonne gespalten wird, entstehen Sauerstoffradikale. Aufgrund der erhöhten Reaktivität der Radikale verbinden sich diese mit den zweiatomigen Sauerstoffmolekülen. Dieser Vorgang kann auch in tieferen Schichten der Atmosphäre bei Gewittern entstehen, da dabei ebenso durch die hohe Energie Sauerstoffmoleküle gespalten werden können.

Die Reaktionsgleichung zur Bildung von Ozon lautet wie folgt:

$\ce{O2 -> 2O.}$

$\ce{2O. + 2O2 -> 2O3}$

Ozon – Eigenschaften

Welche Eigenschaft hat Ozon? Bei Ozon handelt es sich um ein farbloses bis bläuliches Gas, das eine Dichte von $\pu{2,15 kg//m3}$ hat und schwer in Wasser löslich ist. Alle Sauerstoffatome im Ozonmolekül haben dabei die Oxidationszahl Null. Das Molekül Ozon liegt in einer Mesomerie vor. Das bedeutet, dass Ozon nicht durch eine einzige Strukturformel, sondern durch zwei dargestellt werden kann. Die Strukturformel von Ozon siehst du hier:

Was ist Ozon für Kinder erklärt Ozonmolekül Strukturformel

Aus der Abbildung kann man entnehmen, dass das Ozonmolekül gewinkelt aufgebaut ist.
Die einzelnen Bindungen zwischen den Sauerstoffatomen kann man mithilfe von IR-spektroskopischen Untersuchungen ausmessen. Die Messergebnisse zeigen, dass die Bindungen gegenüber Einfachbindungen etwas verkürzt sind – sie haben also partiellen Doppelbindungscharakter. Aus diesem Grund kommt auch die Winkelung des Moleküls zustande.

Die Doppelbindungen liegen entweder links oder rechts vom zentralen O-Atom. Die Elektronen sind dabei nicht in Doppelbindungen fixiert, sondern liegen delokalisiert vor. Dieser mesomere Zustand ohne deutliche Ladungstrennung ist für das Ozonmolekül energetisch günstiger als die völlige Ladungstrennung.

Aber Achtung: Man könnte nun annehmen, dass das Ozonmolekül energiearm und deshalb stabil sei. Dem ist nicht so. Ozon ist ein hochreaktiver Stoff, der sehr leicht unter Abgabe eines Sauerstoffatoms zerfällt.

Ozonloch – Definition

Ozon hat also eine wichtige Wirkung in der Atmosphäre. Als Schutz vor energiereicher Strahlung, wie beispielsweise der UV-Strahlung der Sonne, bildet es die Ozonschicht, wenn es sich in der Stratosphäre befindet.

Es gibt viele Stoffe, wie beispielsweise Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKWs), die die schützende Ozonschicht in der Stratosphäre schädigen können. Die FCKWs wurden früher in Kältemitteln als Treibgase und Lösemittel eingesetzt. Sie sind aber seit dem Jahr 1995 in der EU verboten. Obwohl diese FCKWs seit vielen Jahren verboten sind, befinden sich diese Verbindungen immer noch in der Atmosphäre und können weiterhin einen schädlichen Einfluss auf die Ozonschicht ausüben – man spricht hier auch von Luftverschmutzung. Außerdem werden in Asien immer noch FCKWs verwendet.

FCKW ist ein Sammelbegriff für organische Verbindungen, die aus Chlor- $(\ce{Cl})$ und Fluoratomen $(\ce{F})$ bestehen. Die energiereiche Strahlung spaltet diese Chlor- und Fluoratome, es entstehen reaktive Radikale. Diese wiederum können die Ozonmoleküle spalten und die Konzentration an Ozon verringert sich. Es kann zur Bildung sogenannter Ozonlöcher kommen. Durch diese Löcher in der Ozonschicht kann für den Menschen gefährliche UV-Strahlung der Sonne ungehindert durchdringen.

Ozon in der Troposphäre

Und warum ist Ozon gefährlich? Ozon ist ein starkes Atemgift und wirkt krebserregend. Es ist deswegen in Erdnähe nicht gewollt. Aber was ist bodennahes Ozon? Dieses Ozon befindet sich in der Troposphäre. Die Hauptursache für eine erhöhte Konzentration an Ozon in der Nähe der Erdoberfläche sind Autoabgase, die auch zur Ozonbildung beitragen.

Hohe Ozonkonzentrationen reizen die Schleimhäute und führen so zu Augenbrennen. Weitere Symptome wie Kopfschmerzen, Herzrasen und Atembeschwerden können auftreten.

Ab einem Ozonwert von 180 Mikrogramm pro Kubikmeter Luft informieren die Behörden die Menschen über Verhaltensempfehlungen. In der folgenden Tabelle kannst du sehen, ab wann die Behörden informieren und ab wann eine Ozonwarnung herausgegeben wird.

Zielwert: 120 Mikrogramm pro Kubikmeter als Mittelwert über acht Stunden
Schwellenwert: Information an Bevölkerung 180 Mikrogramm pro Kubikmeter als Mittelwert über eine Stunde
Schwellenwert: Ozonwarnung 240 Mikrogramm als Mittelwert über eine Stunde

Dieses Video

In diesem Video lernst du, was die Ozonschicht ist und für was die Ozonschicht gut ist. Du erfährst, was $\ce{O3}$ in der Chemie bedeutet und nach welcher Reaktionsgleichung Ozon gebildet wird.

Im Anschluss an das Video und diesen Text findest du Übungsaufgaben, um dein erlerntes Wissen zu überprüfen. Viel Spaß!

Transkript Ozon in der Atmosphäre

Ozon in der Atmosphäre

Hallo! Heute wollen wir uns mit dem Thema Ozon beschäftigen und uns ansehen, welche Rolle es in unserer Atmosphäre spielt. Sicher hast du schon einmal etwas über die Ozonschicht gehört. Die Ozonschicht schützt das Leben auf der Erde vor zu intensiver Sonneneinstrahlung, da sie in der Lage ist energiereiche Strahlung zu absorbieren. Wie das genau funktioniert und welche Umwelteinflüsse die Ozonschicht zerstören können, wollen wir uns jetzt einmal genauer ansehen.

Ozon ist ein gasförmiger Stoff, der sich in erhöhter Konzentration in der Atmosphäre der Erde befindet. Ozon kommt hauptsächlich in einer Höhe von 20-30 km vor. Diesen Bereich nennt man auch untere Stratosphäre. Ozon schützt die Erde vor sehr energiereicher Strahlung. Darum ist es so wichtig, dass die Ozonschicht geschützt wird.

Was genau ist aber Ozon und wie wird es gebildet? Das Ozonmolekül besteht aus drei Sauerstoffatomen. Sauerstoff kommt normalerweise als Molekül mit zwei Sauerstoffatomen vor. Nun werden diese Sauerstoffmoleküle durch die sehr energiereiche UV-Strahlung der Sonne in einzelne Atome gespalten, sogenannte Radikale. Diese Atome sind sehr reaktiv und verbinden sich mit den zweiatomigen Sauerstoffmolekülen zu Ozon-Molekülen.

Schauen wir uns dazu einmal die Reaktionsgleichungen an. Ein Sauerstoffmolekül zerfällt in zwei Sauerstoffatome. Diese Sauerstoffatome reagieren nun mit Sauerstoffmolekülen zu Ozon. Nun kann Ozon auch in tieferen Schichten entstehen. Das kann bei Gewittern der Fall sein. Bei Gewittern werden durch die hohe Energie ebenfalls Sauerstoffmoleküle gespalten. Hier läuft die gleiche Reaktion ab wie in der Stratosphäre. Die reaktiven Sauerstoffatome verbinden sich mit den Sauerstoffmolekülen zu Ozon-Molekülen. Die Hauptursache für hohe Ozonkonzentrationen in der Nähe der Erdoberfläche sind allerdings Autoabgase, die auch zur Ozonbildung beitragen.

Im Gegensatz zu der wichtigen Schutzfunktion der Ozonschicht vor zu starker Sonneneinstrahlung ist Ozon in Erdnähe unerwünscht. Es handelt sich bei Ozon nämlich um ein starkes Atemgift. Es reizt die Schleimhäute und die Augen, außerdem kann es zu Kopfschmerzen, Herzrasen und Atembeschwerden führen. Ozon gehört auch zu den krebserregenden Stoffen. Nun ist es aber notwendig, Ozon dort zu erhalten wo es gebraucht wird, nämlich in der Stratosphäre.

Leider gibt es viele Stoffe die die schützende Ozonschicht angreifen und zerstören können. Dazu gehören die Fluorchlorkohlenwasserstoffe, kurz FCKWs. Fluorchlorkohlenwasserstoffe fanden früher häufig Anwendung als Kältemittel, Treibgase und Lösemittel und sind deshalb auch heute noch in der Atmosphäre zu finden. Wie diese Verbindungen die Ozonschicht zerstören können, wollen wir uns nun einmal genauer ansehen.

FCKW ist ein Sammelbegriff für organische Verbindungen, die Chlor-bzw. Fluoratome tragen. Die energiereiche UV-Strahlung ist nun in der Lage diese Chlor- bzw. Fluoratome abzuspalten. Es bilden sich Radikale, die sehr reaktiv sind und in der Lage sind Ozonmoleküle zu spalten. Dadurch verringert sich die Ozonkonzentration in der Stratosphäre und es kann zur Bildung von Ozonlöchern kommen.

Durch die schädlichen Auswirkungen der FCKW wurden diese 1995 in der EU verboten. Da es aber bis zu 20 Jahren dauern kann, bis diese Stoffe in die Stratosphäre gelangen, besitzen FCKWs weiterhin einen schädigenden Einfluss. Hinzu kommt, dass zum Beispiel in Asien FCKWs weiterhin verwendet werden und somit weiterhin schädigend auf die Ozonschicht wirkt.

Du hast heute gelernt, dass Ozon in der Atmosphäre eine wichtige Rolle zum Schutz vor UV-Strahlung spielt. Du weißt nun aber auch, dass Ozon ein Atemgift ist und für die Gesundheit schädliche Auswirkungen hat. Außerdem hast du heute FCKWs kennengelernt und kannst nun erklären, warum sie die Ozonschicht zerstören. Tschüs und bis bald!

4 Kommentare

4 Kommentare
  1. Bin in der 6.Klasse GUT Erklärt!!!
    Mein Lieblings FACH ist Deutsch

    Von A Pithan Hochfeld, vor etwa 6 Jahren
  2. Letztendlich sollte mal gesagt werden, dass uns nicht das Ozon vor der UV-Strahlung schützt, sondern der Sauerstoff der Luft.
    UV + Sauerstoff --> Ozon
    Das Ozon ist das Resultat der Reaktion, nicht die Voraussetzung.

    Von Guido Scholzen, vor fast 7 Jahren
  3. Ich finde das Video gut, da es suverän erklärt ist; aber was mir ein bisschen fehle, dass nur FCKW erklärt wurde, es wurden keine weiteren Ozonschädiger gefunden.

    Von D Leiensetter, vor fast 7 Jahren
  4. Sehr gut erklärt!
    Danke!

    Von Drjbod, vor mehr als 7 Jahren

Ozon in der Atmosphäre Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Ozon in der Atmosphäre kannst du es wiederholen und üben.
  • Beschreibe die Rolle von Ozon in unserer Atmosphäre.

    Tipps

    Warum ist die Ozonschicht so wichtig für das Leben auf der Erde?

    Muss man sich vor energiearmer Strahlung schützen?

    Lösung

    In der Atmosphäre der Erde hat sich ein für das Leben sehr vorteilhaftes Gleichgewicht eingestellt. Die energiereichen Sonnenstrahlen haben dazu geführt, dass sich Sauerstoffradikale gebildet haben, die mit dem Luftsauerstoff Ozon bilden. In der Ozonschicht steht nun der Aufbau und der Abbau, durch den der Schutz erst zustande kommt, im Gleichgewicht. Es entsteht also genau so viel Ozon wie abgebaut wird. Durch die vom Menschen verursachte Luftverschmutzung wird dieses Gleichgewicht gestört, wodurch mehr Ozon abgebaut als gebildet wird.

  • Zeige die Unterschiede zwischen Ozon in der Stratosphäre und in Erdnähe auf.

    Tipps

    Ozon in der Stratosphäre ist schützenswert.

    Bodennahes Ozon ist unerwünscht und gefährlich.

    Lösung

    Die Ozonschicht findest du in einer Höhe von 20 bis 30 km. Sie schützt uns vor intensiver UV-Strahlung. Ozon kann aber auch in Bodennähe entstehen. An heißen Tagen kann bei hoher Luftverschmutzung, zum Beispiel durch viele Autoabgase, eine erhöhte Ozonkonzentration am Boden vorkommen. Aus den in Abgasen enthaltenen Stickoxiden $(NO_x)$ werden durch die UV-Strahlung Sauerstoffradikale abgespalten. Diese reagieren mit dem Luftsauerstoff zu Ozon. Dies kann zu starken Schleimhautreizungen und anderen gesundheitlichen Beeinträchtigungen führen.

  • Ermittle die Reaktionsgleichung für die Bildung von Ozon.

    Tipps

    Das Sauerstoff-Radikal wird hier vereinfacht als $O$ dargestellt.

    Was benötigst du als Ausgangsstoff, um Ozon herzustellen?

    Lösung

    Aufgrund der hohen Energie ist UV-Strahlung in der Lage, Sauerstoffmoleküle zu spalten. Es entstehen sehr reaktive Sauerstoff-Radikale mit einem ungepaarten Elektron. Dieses Elektron will auf keinen Fall allein bleiben und nimmt sich den schnellstmöglich zur Verfügung stehenden Partner, also ein anderes Sauerstoffmolekül. Aus diesen entsteht dann ein Ozon-Molekül. Dieses ist nun in der Lage, UV-Strahlung zu absorbieren. Dadurch zerfällt es wieder zu einem Radikal und einem Sauerstoff-Molekül. Es stellt sich so in der Stratosphäre ein Gleichgewicht ein, wodurch die Ozon-Konzentration konstant bleibt.

  • Erläutere, wie FCKW die Ozonschicht zerstört.

    Tipps

    Welcher Teil der FCKW kann die Ozonschicht schädigen?

    Lösung

    In Spraydosen und als Kühlmittel wurden FCKW, Fluorchlorkohlenwasserstoffe, früher gern benutzt, da sie ungiftig sind und für diese Zwecke gute Eigenschaften besitzen. Nachdem klar wurde, dass durch sie Ozonlöcher entstehen können, wurden sie in der EU verboten.

    Wie schädigen FCKW nun die Ozonschicht?

    Diese Gase steigen innerhalb eines langen Zeitraums (bis zu 20 Jahre) bis in die Stratosphäre auf. Dort trifft die energiereiche UV-Strahlung, die noch nicht durch Ozon abgeschwächt wurde, auf sie und spaltet Chlor- und Fluor-Radikale ab. Diese reagieren dann mit dem Ozon. Es entstehen weitere Radikale und normaler Sauerstoff. Diese Reaktion kann sich also mit den erneut entstandenen Radikalen fortsetzen und so große Ozonlöcher entstehen lassen. An diesen Stellen kann nun die UV-Strahlung in voller Stärke bis zur Erdoberfläche gelangen. Dort kann diese hochenergetische Strahlung viel Schaden anrichten. Es kommt zu starkem Sonnenbrand und kann sogar zu Hautkrebs führen. Auch Pflanzen werden durch intensive UV-Strahlung geschädigt.

  • Bestimme die zutreffenden Aussagen über Ozon.

    Tipps

    Wie entsteht Ozon?

    Ozon kann man nicht sehen oder anfassen.

    Lösung

    Durch UV-Strahlung werden Sauerstoffmoleküle in Radikale (genauer Biradikale) gespalten. Diese reagieren mit Luftsauerstoff ($O_2$) zu Ozon ($O_3$), einem gasförmigen Stoff. Ozon kommt sowohl in der höheren Atmosphäre (20 - 30 km) als auch in Bodennähe vor. Durch die Luftverschmutzung wird Ozon in der Stratosphäre (Ozonschicht) geschädigt.

  • Bestimme die Ursache für folgende Vorgänge.

    Tipps

    Blitze erhitzen die Luft um sie herum extrem stark. Durch die daraus resultierende Ausdehnung der Luft entsteht der Donner.

    Lösung

    Im Endeffekt laufen Effekte und Entstehung von Ozon stets auf Radikale hinaus. Das kannst du bei Aufgaben, in denen es sich um Ozon dreht, immer im Hinterkopf behalten. Um Radikale zu schaffen, wird eine hohe Energie benötigt. Diese kann in verschiedenen Formen vorliegen, zum Beispiel als Wärme-, Strahlungs- oder elektrische Energie. Die entstandenen Radikale sind äußerst reaktiv. Aus diesem Grund können sie Körperzellen schädigen und sogar Krebs verursachen.

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